Case Study of P4 applying to CAN pre-processing using FPGA + Netcope P4 compiler.

1. A2-03 Interop Tokyo 2019
5G時代に向けた
In Network Computing
トヨタ自動車株式会社
コネクティッド先行開発部 InfoTech DCインフラG
プリンシパル・リサーチャー 海老澤 健太郎
～ Netcope社P4 コンパイラを用いた研究事例のご紹介 ～

2. A2-03 Interop Tokyo 20195G時代に向けた In Network Computing ～ Netcope社P4 コンパイラを用いた研究事例のご紹介 ～
https://www.linkedin.com/in/ebiken/
コネクティッドカー向け
次世代ネットワークの研究
（データ収集＆解析基盤） データセンター
（データ解析基盤）
携帯網 固定網
Edge
Computing
5G/4G WiFi
プロトタイピング
In Network Computing

3. A2-03 Interop Tokyo 20195G時代に向けた In Network Computing ～ Netcope社P4 コンパイラを用いた研究事例のご紹介 ～
モビリティサービス・プラットフォーム（MSPF）
総務省：Connected Car 社会の実現に向けた研究会
（第4回）資料４－４ 「トヨタのConnected戦略」

4. A2-03 Interop Tokyo 20195G時代に向けた In Network Computing ～ Netcope社P4 コンパイラを用いた研究事例のご紹介 ～
「大規模データのリアルタイム処理」の効率化
現在：数十ＭＢ/台・月×数十万台
⇒ 2025年：数百ＭＢ以上/台・月×数千万台
総務省：Connected Car 社会の実現に向けた研究会
（第4回）資料４－４ 「トヨタのConnected戦略」

5. A2-03 Interop Tokyo 20195G時代に向けた In Network Computing ～ Netcope社P4 コンパイラを用いた研究事例のご紹介 ～
CAN (Controller Area Network)
Data Center via DCM
Renesas Electronics: In-Vehicle Networking Solutions
https://www.renesas.com/jp/en/solutions/automotive/technology/networking-solutions.html

6. A2-03 Interop Tokyo 20195G時代に向けた In Network Computing ～ Netcope社P4 コンパイラを用いた研究事例のご紹介 ～
CPUの高速化のトレンド
Karl Rupp “40 Years of Microprocessor Trend Data”
https://www.karlrupp.net/2015/06/40-years-of-microprocessor-trend-data/

7. A2-03 Interop Tokyo 20195G時代に向けた In Network Computing ～ Netcope社P4 コンパイラを用いた研究事例のご紹介 ～
ドメイン特化型アーキテクチャの必要性
Hennessy and David Patterson Deliver Turing Lecture at ISCA 2018
https://www.acm.org/hennessy-patterson-turing-lecture
“A New Golden Age for Computer Architecture:
Domain-Specific Hardware/Software Co-Design,
Enhanced Security, Open Instruction Sets, and Agile Chip Development,”

8. A2-03 Interop Tokyo 20195G時代に向けた In Network Computing ～ Netcope社P4 コンパイラを用いた研究事例のご紹介 ～
ドメイン特化型 プロセッサ（例）
Reference: https://www.barefootnetworks.com/technology/

9. A2-03 Interop Tokyo 20195G時代に向けた In Network Computing ～ Netcope社P4 コンパイラを用いた研究事例のご紹介 ～
P4 ... パケット処理に特化したプログラミング言語
P4 Source Code パケット処理パイプラインの定義
パーサーやテーブル、アクション、など
P4 Compiler P4をTarget上で実行可能な形式にコンパイル
Target毎に提供される
Target (P4対応Dataplane)
P4 Dataplane runtime に従いパケットを処理
Hardware: ASIC, NPU, FPGA | Software: CPU
“Programming Protocol-Independent Packet Processors”
https://p4.org/
ASIC, NPU, FPGA

10. A2-03 Interop Tokyo 2019
研究事例
Netcope P4コンパイラ＋FPGAを用いた
CANデータオフロードの試作
5G時代に向けた In Network Computing ～ Netcope社P4 コンパイラを用いた研究事例のご紹介 ～

11. A2-03 Interop Tokyo 20195G時代に向けた In Network Computing ～ Netcope社P4 コンパイラを用いた研究事例のご紹介 ～
CANデータ物理量変換（試作）
Programmable Switch
Match: 車種＋フィールドID
Action: 値の変換
Match: 車種＋フィールドID
Action: 値の変換
. . .
. . .
. . .
変換後の車両情報車両情報
BYTEアライメントではないデータの超高速ストリーム処理

12. A2-03 Interop Tokyo 20195G時代に向けた In Network Computing ～ Netcope社P4 コンパイラを用いた研究事例のご紹介 ～
プラットフォーム選択と実装上の課題
•車種によりデータは変わる
•変換ロジックも変わる（かもしれない）
課題 ： HDLを用いた高速パケット処理プログラムの難しさ
ASIC NPU FPGA
スループット ~6.4Tbps ~100Gbps ~200Gbps
計算ロジックの追加（#1） × 〇 ◎
テーブルの拡張性（#2） × △ 〇 （#1） P4 Extern
（#2） Memory & Lookup Logic

13. A2-03 Interop Tokyo 20195G時代に向けた In Network Computing ～ Netcope社P4 コンパイラを用いた研究事例のご紹介 ～
開発フローの比較
P4プログラミング
P4プログラムチェック
論理合成
配置配線
タイミング検証
（シュミレーション）
Netcope
P4 Cloud
RTL設計
（Verilog/VHDL）
論理検証
（シュミレーション）
論理合成
配置配線
タイミング検証
（シュミレーション）
一般的な
FPGA開発

14. A2-03 Interop Tokyo 20195G時代に向けた In Network Computing ～ Netcope社P4 コンパイラを用いた研究事例のご紹介 ～
P4 プログラム例（port forward）
// Standard Headers
header_type ethernet_t {
fields {
dstAddr : 48;
srcAddr : 48;
etherType : 16;
}
}
header ethernet_t ethernet;
header_type ipv4_t {
fields {
version : 4;
ihl : 4;
diffserv : 8;
totalLen : 16;
identification : 16;
flags : 3;
fragOffset : 13;
ttl : 8;
protocol : 8;
hdrChecksum : 16;
srcAddr : 32;
dstAddr: 32;
}
}
header ipv4_t ipv4;
ヘッダの定義
parser start {
return parse_ethernet;
}
parser parse_ethernet {
extract(ethernet);
return select(latest.etherType) {
ETHERTYPE_IPV4 : parse_ipv4;
default: ingress;
}
}
parser parse_ipv4 {
extract(ipv4);
return select(latest.protocol) {
IP_PROTOCOLS_ICMP : parse_icmp;
IP_PROTOCOLS_TCP : parse_tcp;
IP_PROTOCOLS_UDP : parse_udp;
default: ingress;
}
}
parser parse_udp {
extract(udp);
return select(latest.dstPort) {
default: ingress;
}
}
パーサーの定義
action _drop() {
drop();
}
action _nop() {
}
action forward(port) {
modify_field(metadata.egress_port, port);
}
table t_fwd {
reads {
metadata.ingress_port: exact;
}
actions {forward; _drop;}
}
control ingress{
apply(t_fwd);
}
アクション/テーブル/コントロール

15. A2-03 Interop Tokyo 20195G時代に向けた In Network Computing ～ Netcope社P4 コンパイラを用いた研究事例のご紹介 ～
P4 プログラム例（CAN処理ロジックの疑似コード）
CANデータをヘッダとして
構造的に定義
header_type can_metadata_t {
fields {
id_model : 32;
id_type : 32;
timestamp : 64;
}
}
header can_metadata_t can_metadata;
header_type can_base_t {
fields {
id : 12;
len : 4;
}
}
header can_base_t can_base;
...
ヘッダの定義
CANデータのID毎にパース
するバイト数等を定義
parser parse_udp {
extract(udp);
return select(latest.dstPort) {
UDP_PORT_CAN : parse_can;
default: ingress;
}
}
parser parse_can {
extract(can_metadata);
return parse_can_data;
}
parser parse_can_data {
extract(can_base);
return select(can_base.id) {
0x003 : parse_can_data003;
0x005 : parse_can_data005;
0x007 : parse_can_data007;
...
}
}
パーサーの定義
マッチしたCAN_IDに応じデータ
変換するアクションを定義
action convert_dataXXX() {
// set fixed fields
modify_field(can_cdataXXX.id0, 3);
modify_field(can_cdataXXX.sid0, 0);
modify_field(can_cdataXXX.len0, 4);
// calculate remaining fields
modify_field(can_cdataXXX.val0, val0-4);
modify_field(can_cdataXXX.val1, val1*2);
....
}
....
アクション/テーブル/コントロール

16. A2-03 Interop Tokyo 20195G時代に向けた In Network Computing ～ Netcope社P4 コンパイラを用いた研究事例のご紹介 ～
Netcope P4 Cloud
Netcope P4 Cloud
P4 -> FPGA Firmware コンパイル
ウェブサービス（Web Service）
ターゲット・プラットフォームの選択

17. A2-03 Interop Tokyo 20195G時代に向けた In Network Computing ～ Netcope社P4 コンパイラを用いた研究事例のご紹介 ～
Netcope P4 Cloud
P4チェック結果、合成結果レポートの表示
合成されたファームウェアのダウンロード

18. A2-03 Interop Tokyo 20195G時代に向けた In Network Computing ～ Netcope社P4 コンパイラを用いた研究事例のご紹介 ～
Netcope P4 Cloud

19. A2-03 Interop Tokyo 20195G時代に向けた In Network Computing ～ Netcope社P4 コンパイラを用いた研究事例のご紹介 ～
まとめ
CPU高速化の限界（End of Moore’s Law）
ドメイン特化型プロセッサ＋プログラミング言語
パケット処理に特化したドメイン特化型言語の普及（P4）
プラットフォームに合わせた開発環境の普及により、
ユースケースに合わせプラットフォームを選択できる時代に

20. A2-03 Interop Tokyo 2019
Appendix:
Research of In Network Computing
5G時代に向けた In Network Computing ～ Netcope社P4 コンパイラを用いた研究事例のご紹介 ～

21. A2-03 Interop Tokyo 20195G時代に向けた In Network Computing ～ Netcope社P4 コンパイラを用いた研究事例のご紹介 ～
IRTF Computing in the Network (COIN)
性能の向上と新たなネットワーク化されたアプリケーションを実現可能にすべく
ネットワーク内コンピューティングの研究を育成・促進する
Initial Meeting: IETF 103 Bangkok （2018年11月9日）
Wiki: https://trac.ietf.org/trac/irtf/wiki/coin
Mailing List: https://www.irtf.org/mailman/listinfo/coin
https://trac.ietf.org/trac/irtf/attachment/wiki/coin/coin_ietf103_chair_slides%20-%20Finalv3.pptx

22. A2-03 Interop Tokyo 20195G時代に向けた In Network Computing ～ Netcope社P4 コンパイラを用いた研究事例のご紹介 ～
https://dl.acm.org/citation.cfm?doid=3132747.3132764

23. A2-03 Interop Tokyo 2019
• In-Network Data-Center Computing
• draft-he-coin-datacenter-00
• machine learning, graph analysis, data analytics, map reduce
• In Network Computing Enablers for Extended Reality
• draft-montpetit-coin-xr-02
• Augmented Reality (AR), Virtual Reality (VR), Extended Reality (XR)
• Information Centric Networking (ICN) & NDN
• Network Coding, Smart contracts (block chain)
• Overview of Edge Data Discovery
• draft-mcbride-edge-data-discovery-overview
• Named Data Networking (NDN)
• Content-Centric Networking (CCN)
5G時代に向けた In Network Computing ～ Netcope社P4 コンパイラを用いた研究事例のご紹介 ～
IRTF Computing in the Network (COIN)